CN110192288A - 垂直自旋转移矩磁机构 - Google Patents

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Abstract

一种装置包括：磁隧道结(MTJ)，其包括自由磁层、固定磁层、以及在自由层和固定层之间的隧道势垒，所述隧道势垒直接接触自由层的第一侧；覆盖层，其接触自由磁层的第二侧；以及硼吸收层，其位于覆盖层上方的固定距离处。

Description

垂直自旋转移矩磁机构
技术领域
本公开内容总体上涉及半导体器件，并且具体而言，涉及自旋电子存储器件。
背景技术
一些磁存储器，例如垂直自旋转移矩存储器(pSTTM)，利用磁隧道结(MTJ)来切换并检测存储器的磁状态。在这样的器件中，通过针对MTJ中铁磁层的不同相对磁化评估电阻(例如，隧穿磁阻(TMR))的变化来读取存储器。
pSTTM器件还可以包括氧化镁(MgO)/钴-铁-硼(CoFeB)/MgO自由层。具有常规MgO/CoFeB基/MgO自由层的pSTTM器件中的硼流出对于获得良好的自由层结晶度、高隧穿磁阻(TMR)和高自旋极化是至关重要的。然而，在自由层上方使用硼吸收层(例如，钽(Ta))也会对MgO和CoFeB层造成化学和物理损坏，这导致垂直各向异性降低。
附图说明
图1示出了存储器单元的一个实施例。
图2A和图2B示出了pSTTM器件中的常规MTJ。
图3示出了具有远距离硼吸收层(remote boron absorption layer)的MTJ的一个实施例。
图4示出了其中可以实施pSTTM器件的系统。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了许多具体细节以便提供对各种实施例的透彻理解。然而，可以在没有具体细节的情况下实践本发明的各种实施例。在其他情况下，没有详细描述众所周知的方法、过程、部件和电路，以免使得本发明的特定实施例难以理解。
公开了一种MTJ配置，其中在覆盖层上方固定距离处形成远距离硼吸收层，以提供高隧穿磁阻(TMR)和自旋极化，而不会对覆盖层和自由层造成化学和物理损坏，该化学和物理损坏会导致垂直各向异性降低。在另一实施例中，硼传导层放置在硼吸收层和覆盖层之间以提供固定距离。
图1示出了存储器单元100的一个实施例。在一个实施例中，存储器单元100包括由铁磁(FM)层125、127和隧穿势垒126(例如，MgO)组成的MTJ。MTJ将位线(BL)105耦合到选择开关120(例如，晶体管)、字线(WL)110和感测线(SL)115。通过针对FM层125、127的不同相对磁化评估电阻(例如，TMR)的变化来“读取”存储器100。更具体地说，层125和127的相对磁化方向决定了MTJ电阻。
当两层之间的磁化方向反向平行时，MTJ处于高电阻状态。当两层之间的磁化方向平行时，MTJ处于低电阻状态。层127是“参考层”或“固定层”，因为其磁化方向是固定的。层125是“自由层”，因为其磁化方向因传递由参考层极化的驱动电流而改变(例如，施加到层127的正电压使层125的磁化方向旋转到与层127的磁化方向相反，并且施加到层127的负电压使层125的磁化方向旋转到层127的相同方向)。
如上所述，Ta硼吸收层通常放置在MTJ上方。通过溅射注入和/或氧的化学清除将硼吸收层放置得非常靠近自由层和MgO覆盖物破坏了MgO覆盖物。这种配置提供了高TMR，但是因破坏MgO覆盖层显著降低了器件的保持特性，这是磁垂直性的关键来源。
另一种常规MTJ配置的特征在于使用简单的的CoFeB薄层将硼吸收层与MgO覆盖物隔开。图2A示出了这种配置。如图2A所示，包括第二CoFeB自由层以将硼吸收层与MgO覆盖物隔开。然而，这种薄的CoFeB层不足以保护MgO覆盖物免受损坏。而且，使用任何直接方案都不能使CoFeB层变厚，因为其磁特性会对自由层产生不利影响。
图2B示出了另一种MTJ配置，其中硼吸收层由例如钼(Mo)或钌(Ru)等惰性材料替代。此外，硼吸收层可以放置在离自由层很远的位置，使得它不再能够足以起到吸收任何硼的作用。例如，通常具有Ta基硬掩模。这些配置提供无损的MgO覆盖物。然而，付出的交换是以下代价：具有低TMR的较差结晶的自由层。
根据一个实施例，公开了一种配置，其中远距离硼吸收层形成在MgO覆盖层上方的固定距离处。在这样的实施例中，硼传导层放置在硼吸收层和MgO覆盖层之间。图3示出了具有远距离硼吸收层的MTJ 300的一个实施例。如图3所示，MTJ 300独自包括在固定层327和自由层325之间的隧穿势垒326。另外，MTJ 300包括与自由层325接触的第二氧化MgO界面320(或MgO覆盖层)。
此外，远距离硼吸收层(BAL)310包括在MTJ 300中。在这样的实施例中，BAL 310位于覆盖层320上方固定距离(例如，在之间)处。该距离安全地保护自由层325和MgO层免受由反应性BAL 310引起的化学和物理损坏。根据一个实施例，用于BAL 310的材料可以包括Ta、铪(Hf)和钛(Ti)。
在另一实施例中，包括硼传导层(BCL)315以将BAL 310与覆盖层320隔开，从而保持从自由层325到BAL 315的良好硼流。取决于杂质掺杂浓度，BCL 315的磁特性可以是磁性的或非磁性的。在磁性实施例中，BCL 315可以是面内磁体(in-plane magnet)，以在自由层325上促进额外的自旋矩。然而，在其他磁性实施例中，BCL 315可以是垂直磁体，以通过耦合在自由磁性层325和BCL 315磁体之间的杂散场提供额外的器件稳定性并改善保持特性。
用于BCL 315的材料可以包括钴(Co)、铁(Fe)、钌(Ru)、碳(C)、钴钽(CoTa)、钴钨(CoW)、钴钼(CoMo)、钴铪(CoHf)、钴钌(CoRu)、铁钽(FeTa)、铁钨(FeW)、铁钼(FeMo)、铁铪(FeHf)和铁钌(FeRu)。
用于BCL 315的材料还可以包括钴铁钽(CoFeTa)、钴铁钨(CoFeW)、钴铁钼(CoFeMo)、钴铁铪(CoFeHf)、钴铁钌(CoFeRu)、钴硼钽(CoBTa)、钴硼钨(CoBW)、钴硼钼(CoBMo)、钴硼铪(CoBHf)、钴硼钌(CoBRu)、铁硼钽(FeBTa)、铁硼FeBW、铁硼钼(FeBMo)、铁硼铪(FeBHf)、铁硼钌(FeBRu)、钴铁硼钽(CoFeBTa)、钴铁硼钨(CoFeBW)、钴铁硼钼(CoFebMo)、钴铁硼铪(CoFeBHf)和钴铁硼钌(CoFeBRu)。
上述MTJ的特征在于在覆盖层上方固定距离处形成的远距离硼吸收层及放置在硼吸收层和覆盖层之间的硼传导层以保持该固定距离。因此，MTJ同时提供高TMR和高垂直磁各向异性，而不需要为了一个而损害另一个。
图4示出了其中可以实施pSTTM器件的计算机系统600的一个实施例。如图所示的计算机系统600(也称为电子系统600)可以具体化为根据如在本公开内容中所阐述的几个公开的实施例及其等同实施例中的任何一个的半导体管芯，该半导体管芯封装有一个或多个ACI，该ACI具有分形几何形状(fractal geometry)的金属密度层单元。计算机系统600可以是移动设备，例如上网本计算机。计算机系统600可以是移动设备，例如无线智能电话。计算机系统600可以是台式计算机。计算机系统600可以是手持式读取器。计算机系统600可以是服务器系统。计算机系统600可以是超级计算机或高性能计算系统。
在实施例中，电子系统600是计算机系统，其包括用于电耦合电子系统600的各种部件的系统总线620。根据各种实施例，系统总线620是单个总线或总线的任何组合。电子系统600包括向集成电路610提供电力的电压源630。在一些实施例中，电压源630通过系统总线620向集成电路610供应电流。
集成电路610电耦合到系统总线620，并且包括根据实施例的任何电路或电路组合。在实施例中，集成电路610包括可以是任何类型的处理器612。如本文所使用的，处理器612可以表示任何类型的电路，例如但不限于微处理器、微控制器、图形处理器、数字信号处理器或其他处理器。在实施例中，处理器612包括如本文所公开的半导体管芯，该半导体管芯封装有一个或多个ACI，该ACI具有分形几何形状的金属密度层单元。在实施例中，在处理器的存储器高速缓存中发现了SRAM实施例。可以包括在集成电路610中的其他类型的电路是定制电路或专用集成电路(ASIC)，例如用于无线设备(例如蜂窝电话、智能电话、寻呼机、便携式计算机、双向无线电设备和类似的电子系统)的通信电路614，或用于服务器的通信电路。在实施例中，集成电路610包括管芯上存储器616，例如静态随机存取存储器(SRAM)。在实施例中，集成电路610包括嵌入式管芯上存储器616，例如嵌入式动态随机存取存储器(eDRAM)。
在实施例中，集成电路610由后续集成电路611提供补充。有用的实施例包括双处理器613和双通信电路615以及双管芯上存储器(例如SRAM)617。在实施例中，双集成电路610包括诸如eDRAM等嵌入式管芯上存储器617。
在实施例中，电子系统600还包括外部存储器640，外部存储器640又可以包括适合于特定应用的一个或多个存储器元件，例如RAM形式的主存储器642，一个或多个硬盘驱动器644，和/或处理可移除媒体646(例如磁盘、压缩盘(CD)、数字可变盘(DVD)、闪存驱动器和本领域已知的其他可移除媒体)的一个或多个驱动器。根据实施例，外部存储器640还可以是嵌入式存储器648，例如嵌入式TSV管芯叠层中的第一管芯。
在实施例中，电子系统600还包括显示设备650，音频输出660。在实施例中，电子系统600包括输入设备，例如控制器670，其可以是键盘、鼠标、轨迹球、游戏控制器、麦克风、语音识别设备或将信息输入到电子系统600中的任何其他输入设备。在实施例中，输入设备670是相机。在实施例中，输入设备670是数字录音机。在实施例中，输入设备670是相机和数字录音机。
如本文所示，集成电路610可以在许多不同的实施例中实施，包括根据几个公开的实施例及其等同实施例中的任何一个的半导体管芯(半导体管芯封装有一个或多个ACI，该ACI具有分形几何形状的金属密度层单元)，电子系统，计算机系统，制造集成电路的一种或多种方法，以及制造电子组件的一种或多种方法，所述电子组件包括根据如本文在各种实施例中阐述的几个公开的实施例及其本领域公认的等同实施例中的任何一个的半导体管芯，半导体管芯封装有一个或多个ACI，该ACI具有分形几何形状的金属密度层单元。元件、材料、几何形状、尺寸和操作顺序都可以变化，以适应特定的I/O耦合要求，包括用于根据几个公开的半导体管芯中的任何一个的嵌入在处理器安装衬底中的微电子管芯的阵列接触计数、阵列接触配置，半导体管芯封装有一个或多个ACI，该ACI具有分形几何形状实施例及其等同实施例的金属密度层单元。可以包括基础衬底，如图4的虚线所示。还可以包括无源器件，同样如图4中所示。
对“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“各种实施例”等的提及表示如此描述的(一个或多个)实施例可以包括特定特征、结构或特性，但不是每个实施例都必须包括该特定的特征、结构或特性。此外，一些实施例可以具有针对其他实施例描述的一些、全部或零个特征。
在以下描述和权利要求中，可以使用术语“耦合”及其派生词。“耦合”用于表示两个或多个元件彼此协作或交互，但是它们可以具有或可以不具有在它们之间的介入物理或电气部件。
如在权利要求中所使用的，除非另有说明，否则使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等来描述共同元件仅表示：正在引用同样元件的不同实例，并且并不旨在暗示如此描述的元件必须在时间上、空间上、排序上，或以任何其他方式处于给定的顺序中。
以下条款和/或示例涉及其他实施例或示例。可以在一个或多个实施例中的任何地方使用示例中的细节。不同实施例或示例的各种特征可以与包括的一些特征以及不包括的其他特征以各种方式进行组合，以便适合各种不同的应用。示例可以包括客体，例如方法，用于执行该方法的操作的装置，至少一个机器可读介质，包括当由机器执行时使机器执行该方法或者装置或系统的操作以促进根据本文描述的实施例和示例的混合通信的指令。
一些实施例涉及示例1，其包括一种装置，包括：磁隧道结(MTJ)，所述磁隧道结包括自由磁层、固定磁层、以及在自由层和固定层之间的隧道势垒，所述隧道势垒直接接触自由层的第一侧；覆盖层，其接触自由磁层的第二侧；以及硼吸收层，其位于覆盖层上方的固定距离处。
示例2包括示例1的客体，还包括硼传导层，其被设置为将硼吸收层和覆盖层隔开。
示例3包括示例1和2的客体，其中，硼传导层保持从自由磁层到硼吸收层的硼流。
示例4包括示例1-3的客体，其中，硼吸收层和覆盖层之间的固定距离在之间。
示例5包括示例1-4的客体，其中，BCL是非磁性的。
示例6包括示例1-5的客体，其中，BCL是磁性的。
示例7包括示例1-6的客体，其中，BCL是面内磁体。
示例8包括示例1-7的客体，其中，BCL是垂直磁体。
示例9包括示例1-8的客体，其中，BAL由包括以下中的至少一种的材料组成：钽(Ta)、铪(Hf)和钛(Ti)。
示例10包括示例1-9的客体，其中，BCL由包括以下中的至少一种的材料组成：钴(Co)、铁(Fe)、钌(Ru)、碳(C)、钴钽(CoTa)、钴钨(CoW)、钴钼(CoMo)、钴铪(CoHf)、钴钌(CoRu)、铁钽(FeTa)、铁钨(FeW)、铁钼(FeMo)、铁铪(FeHf)、铁钌(FeRu)、钴铁钽(CoFeTa)、钴铁钨(CoFeW)、钴铁钼(CoFeMo)、钴铁铪(CoFeHf)、钴铁钌(CoFeRu)、钴硼钽(CoBTa)、钴硼钨(CoBW)、钴硼钼(CoBMo)、钴硼铪(CoBHf)、钴硼钌(CoBRu)、铁硼钽(FeBTa)、铁硼FeBW、铁硼钼(FeBMo)、铁硼铪(FeBHf)、铁硼钌(FeBRu)、钴铁硼钽(CoFeBTa)、钴铁硼钨(CoFeBW)、钴铁硼钼(CoFebMo)、钴铁硼铪(CoFeBHf)和钴铁硼钌(CoFeBRu)。
一些实施例涉及示例11，其包括一种包括制造声谐振器结构的方法，包括：形成磁隧道结(MTJ)，所述磁隧道结包括自由磁层、固定磁层、以及在自由层和固定层之间的隧道势垒，所述隧道势垒直接接触自由层的第一侧；在自由磁层的第二侧上方形成覆盖层；以及在覆盖层上方的固定距离处形成硼吸收层。
示例12包括示例11的客体，还包括在硼吸收层和覆盖层之间形成硼传导层。
示例13包括示例11和12的客体，其中，硼吸收层和覆盖层之间的固定距离在之间。
示例14包括示例11-13的客体，其中，BCL是非磁性的。
示例15包括示例11-14的客体，其中，BCL是磁性的。
示例16包括示例11-15的客体，其中，BCL是面内磁体。
示例17包括示例11-16的客体，其中，BCL是垂直磁体。
一些实施例涉及示例18，其包括垂直自旋转移矩存储器(pSTTM)，包括：磁隧道结(MTJ)，所述磁隧道结包括：自由磁层、固定磁层、以及在自由层和固定层之间的隧道势垒，所述隧道势垒接触自由层的第一侧；覆盖层，其接触自由磁层的第二侧；以及硼吸收层，位于覆盖层上方的固定距离处。
示例19包括示例18的客体，还包括硼传导层，其被设置为将硼吸收层和覆盖层隔开。
示例20包括示例18和19的客体，其中，硼吸收层和覆盖层之间的固定距离在之间。
示例21包括示例18-20的客体，其中，BCL是非磁性的。
示例22包括示例18-21的客体，其中，BCL是磁性的。
示例23包括示例18-22的客体，其中，BCL是面内磁体。
示例24包括示例18-23的客体，其中，BCL是垂直磁体。
尽管已经用特定于结构特征和/或方法操作的语言描述了本发明的实施例，但是应该理解，所要求保护的客体可以不限于所描述的具体特征或操作。相反，公开了特定特征和操作作为实施所要求保护的客体的示例形式。

Claims (24)

1.一种装置，包括：
磁隧道结(MTJ)，包括：
自由磁层；
固定磁层；以及
所述自由层和所述固定层之间的隧道势垒，所述隧道势垒接触所述自由层的第一侧；
覆盖层，其与所述自由磁层的第二侧接触；以及
硼吸收层(BAL)，其位于所述覆盖层上方的固定距离处。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括硼传导层，其被设置为将所述硼吸收层和所述覆盖层隔开。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述硼传导层(BCL)保持从所述自由磁层到所述硼吸收层的硼流。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述硼吸收层和所述覆盖层之间的所述固定距离在之间。
5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述BCL是非磁性的。
6.根据权利要求3所述的装置，其中，所述BCL是磁性的。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述BCL是面内磁体。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述BCL是垂直磁体。
9.根据权利要求3所述的装置，其中，所述BAL由包括以下中的至少一种的材料组成：钽(Ta)、铪(Hf)和钛(Ti)。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述BCL由包括以下中的至少一种的材料组成：钴(Co)、铁(Fe)、钌(Ru)、碳(C)、钴钽(CoTa)、钴钨(CoW)、钴钼(CoMo)、钴铪(CoHf)、钴钌(CoRu)、铁钽(FeTa)、铁钨(FeW)、铁钼(FeMo)、铁铪(FeHf)、铁钌(FeRu)、钴铁钽(CoFeTa)、钴铁钨(CoFeW)、钴铁钼(CoFeMo)、钴铁铪(CoFeHf)、钴铁钌(CoFeRu)、钴硼钽(CoBTa)、钴硼钨(CoBW)、钴硼钼(CoBMo)、钴硼铪(CoBHf)、钴硼钌(CoBRu)、铁硼钽(FeBTa)、铁硼FeBW、铁硼钼(FeBMo)、铁硼铪(FeBHf)、铁硼钌(FeBRu)、钴铁硼钽(CoFeBTa)、钴铁硼钨(CoFeBW)、钴铁硼钼(CoFebMo)、钴铁硼铪(CoFeBHf)和钴铁硼钌(CoFeBRu)。
11.一种包括制造声谐振器结构的方法，包括：
形成磁隧道结(MTJ)，所述磁隧道结包括自由磁层、固定磁层、以及在所述自由层和所述固定层之间的隧道势垒，所述隧道势垒接触所述自由层的第一侧；
在所述自由磁层的第二侧上方形成覆盖层；以及
在所述覆盖层上方的固定距离处形成硼吸收层(BAL)。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括在所述硼吸收层和所述覆盖层之间形成硼传导层(BCL)。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述硼吸收层和所述覆盖层之间的所述固定距离在之间。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述BCL是非磁性的。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述BCL是磁性的。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述BCL是面内磁体。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述BCL是垂直磁体。
18.一种垂直自旋转移矩存储器(pSTTM)，包括：
磁隧道结(MTJ)，包括：
自由磁层；
固定磁层；以及
所述自由层和所述固定层之间的隧道势垒，所述隧道势垒接触所述自由层的第一侧；
覆盖层，其接触所述自由磁层的第二侧；以及
硼吸收层(BAL)，其位于所述覆盖层上方的固定距离处。
19.根据权利要求18所述的存储器，还包括硼传导层(BCL)，其被设置为将所述硼吸收层和所述覆盖层隔开。
20.根据权利要求19所述的存储器，其中，所述硼吸收层和所述覆盖层之间的所述固定距离在之间。
21.根据权利要求19所述的存储器，其中，所述BCL是非磁性的。
22.根据权利要求19所述的存储器，其中，所述BCL是磁性的。
23.根据权利要求22所述的存储器，其中，所述BCL是面内磁体。
24.根据权利要求23所述的存储器，其中，所述BCL是垂直磁体。
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